JPH04500139A - アバランシェフォトダイオードの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 アバランシェフォトダイオード構造 この発明は、アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法に関する。

アバランシェフォトダイオ−ド（Ａ　Ｐ　Ｄ）においてはフォトキャリア密度は 高電界によって加速された光により発生されたキャリアの衝撃イオン化によって 増倍される。１．３および、５ミクロンの波長で使用されるＩ　Ｉ　Ｉ−Ｖ族Ａ ＰＤ装置においてはｉ化インジュウムガリウムのような材料は光電子発生が生じ る領域に使用される。比較的小さいバンドギャップを有するこの材料中で増倍が 生じるならば、増倍に必要な高電界においてトンネル効果から生じる高い暗電流 が生成され、雑音が著しく増大する。この問題を避けるためにホールが砒化イン ジニウムガリウム中で光発生され、ｐｎ接合を含む広いバンドギャップの燐化イ ンジニウム層中へ駆動され、そこでアバランシェ増倍が行われる。この形式の装 置は分離した吸収および増倍（ＳＡＭ）構造と呼ばれ、よく知られている。

燐化インジニウム増倍層の厚さおよびドープレベルはトンネル効果を避けるため に砒化インジニウムガリウム層との境界において充分に低い電界によりｐｎ接合 付近のアバランシェ増倍のための補正電界を得るために注意深く制御されなけれ ばならない。ブレーナおよびメサの両Ａ　Ｐ　Ｄ　ｔＭ造が知られており、一般 的にブレーナ構造はすぐれた安定性および信頓性を有している。ブレーナ装置で はｐｎ接合は湾曲することが必要でありエツジにおける絶縁破壊を阻止するため に湾曲したエツジにおいてｐ型のガードリングが装置のアクチブ部分を囲んで設 けられており、ガードリング中のｐ型不純物の濃度分布を注意深く制御すること が必要である。

ＬＰＥ、ＭＯＶＰＥ、およびＶＰＥのような種々の成長法が利用されてＡ、　Ｐ 　Ｄ装置の層が必要とする厚さが制御された状態で得られている。ドープ不純物 が続いて層中に拡散またはイオン注入される。しかしながら拡散技術はドープ不 純物蒸気の濃度を正確に制御することが困難であるために再現性および柔軟性に 欠ける傾向があり、一方イオン注入技術は複雑で高価な装置を必要とする。また 例えば密封アンプル拡散の場合には、処理できるサンプルの大きさが装置によっ て、例えばアンプルの最大の実用的な大きさに制限される。

この発明は上述の問題を克服し、新しい拡散技術を提供するものである。

この発明によれば半導体基体と、ｎ型光吸収層と、ｎ型増倍層と、この増倍層上 に形成されて増倍層と急峻なｐｎ接合を形成するｐ型頭域と、このｐ型頭域を囲 む傾斜不純物濃度分布ｐ型ガードリング領域とを具備したアバランシェフォトダ イオードが提供され、それにおいてガードリングはマグネシウムドープ不純物を 含み、金属有機蒸気マグネシウムドーパント拡散源からの拡散によって形成され ることを特徴とする。

この発明はまた、光吸収層と増倍層とを金属・有機気相エピタキシャルによって 成長させ、それに続いてガス状金属・有機化合物からのドープ不純物の拡散によ ってそれに構造を形成するアバランシェフォトダイオードの製造方法を提供す骨 Ｏ この発明の別の観点によれば蒸気金属・有機マグネシウム源からの拡散によって マグネシウムのガードリングを形成する方法が提供される。

この発明を添付図面を参照にして以下実施例により説明する。

第１図はこの発明によるＡＰＤの断面の概略図である。

第２図は第１図のＡＰＤの表面下の深さに対するキャリア密度特性である。

第３図はこの発明により使用されるＭＯＶＰＥシステムの概略図である。

第１図を参照すると好ましいブレーナＳＡＭ　ＡＰＤ構造が示されている。この 装置はｎ＋燐化インジュウムの基体１備えており、例えば８　Ｘ　１０”／ｃｍ ’のレベルに硫黄でドープされている。基体上に例えば１０”／ｃｍ’のレベル にドープされている０、５ミクロンのｎ型燐化インジニウムバッファ層２と、公 称ドープされていない（実際には１０”／ｃ＋ｎ’の残留ドープ不純物レベルを 有する）砒化インジニウムガリウムの３ミクロンの層３と、マスクを介して拡散 された２ミクロンの亜鉛ドープｐ＋燐化インジュウム層５を有するｎ型の３ミク ロンの燐化インジュウム層４が設けられている。燐化インジニウムｐｎ接合層４ ，５を囲んでｐ型のガードリング６が設けられている。この装置に入射する光は 広いバンドギャップの燐化インジニウムを通過して砒化インジニウムガリウム層 ３中で光励起が生じ、ホールはｐｎ接合の電界によって燐化インジュウム層４中 に駆動され、そこでアバランシェ増倍およびｐｎ接合における捕捉が行われる。

砒化インジニウムガリウム層３とｎ型燐化インジュウム層４との間において約１ ／１０ミクロンのチャーブ（ｃｈｉｒｐ　）超格子の境界領域があり、そこにお いて砒化インジニウムガリウムのバンドギャップから燐化インジニウムのバンド ギャップまでバンドギャップが変化する。この代りにドープされない４成分材料 の傾斜層を有することもできる。燐化インジュウム層４は上面の公称無ドープか ら高い電界が必要なｐｎ接合における２〜３　Ｘ　１０”　／　０ｍ３まで階段 状またはスムースに変化されることができる。これはガードリングの動作を改善 する。

ｐ型のガードリング６は第２図に示すように１０”／ｃ［ｏ’の表面密度から深 さと共に減少する傾斜密度分布を有することが好ましい。ガードリングの深さは 一般的に約２，５ミクロンであるが、影響はもっと深くまで及んでいる。ガード リングはベリリウムのイオン注入によって製作されるが、その工程は複雑であり （アニールを後続させる必要がある）、またベリリウムの塵埃は健康上有害であ る。拡散された亜鉛のｐｎ接合が形成できるが、亜鉛の拡散特性は傾斜接合を得 るために数日或いは数週間にわたって拡散することが必要である。

この発明においては以下説明する拡散技術を使用してマグネシウムを使用するこ とが特に好ましいことが発見され、これは所望の濃度プロファイルを有する良好 なガードリングを与える。マグネシウムの拡散係数は比較的低く、したがってガ ードリングは９１層５の拡散のための次の加熱サイクル中の変化は最小である。

ｐ＋層５の亜鉛拡散により得られる典型的な濃度プロファイルは第２図に示され ている。マグネシウムは混合することが困難なドープ不純物である。液相エピタ キシャル成長において含有させることが試みられたがマグネシウムは溶融物と混 合しなかった。さらにマグネシウムドープ半導体のエピタキシャル成長が平凡な ものであっても、エピタキシャルによるガードリング構造の成長には数多くの実 用的な欠点がある。他の拡散処理においては酸化の問題がある。結論としてイオ ンビーム注入は従来マグネシウムドープガードリングを製造する唯一の実用的な 方法である。

ｐ型層の拡散プロセスについて説明すると、第３図はそのために適切な装置を示 し、水平な冷たい壁のＭＯＶＰＥ反応装置１０を備え、その中おいてにサンプル がグラファイトサセプタ１２上に配置され、このグラファイトサセプタ１２は赤 外線石英ランプ１３によって下方から加熱される。所要のガス混合物は入口１４ から反応装置１０に導入され、加熱されたサンプル上を通過して出口１５から流 れ出て、紙フィルタ１６およびカーボンフィルタ１７を通って廃棄される。

蒸気の流れはＭＯＶＰＥ成長においては通常の流れと異なっている。それはＩＩ Ｉ族およびＶ族前駆物質の両者を含み、！１１族前駆物質は除外されて流れはＶ 族前駆物質からなり、それはサンプルとドープ不純物源の表面一体性を保護する 。

同じキットがｐ型層５のための亜鉛の拡散およびガードリングのマグネシウムの 拡散の両者に対して使用された。後者の拡散はまず高い温度で行われた。標準の マスク技術が使用されて拡散が不要な区域の表面が保護され、最初にサンプルの 表面がガードリングの表面位置においてのみ露出されたままにされた。このマス クされたサンプルはＭＯＶＰＥ反応装置中のサセプタ１２上に配置され、システ ムは水素ガスで洗浄され、サンプルの加熱の開始において水素流中に５％の燐が 導入されてサンプル表面からの燐の損失が阻止された。サンプルは６６０°Ｃの 温度に加熱され、２ＸＩＯ−６モル／分のモル流量のＣｐ２Ｍｇが流れに導入さ れてこの状態が６４分にわたって維持され、マグネシウムの拡散が行われた。Ｃ ｐｚＭｇ流はそれからオフに切替えられ、サンプルは冷却され、一方燐／水素流 は維持された。２５０ＤＣにおいて燐は吸収され、その後サンプルを取出すため に装置を開く前に室温でシステムは窒素ガスで洗浄された。

サンプルのマスクは除去され、中央のｐ型頭域を定めるマスクが形成され、再び サンプルは反応装置中に置かれた。それから中央のｐ型頭域を形成するための亜 鉛の拡散が行われ、サンプル温度は５５０°Ｃであり、ドープ不純物源は水素中 の４　Ｘ　１０−６モル／分の流量のジメチル亜鉛であり２２分間処理された。

マグネシウム拡散に対してサンプル表面を保護するために必要な水素流中の５％ のＰＨは３００ｓｅｃｍであり、一方亜鉛拡散段階においてはそれは２５０ｓｅ ｃｍであった。

拡散時間および温度は恐ら・く上述のものと異なり、またｐ型層５に対して亜鉛 以外のドープ不純物が使用できるであろう。

ＡＰＤ装置は、６６０°Ｃの温度で６４分間の拡散により形成されたマグネシウ ムの２ミクロンの深さのガードリングを備えて上述の技術を使用して製造される 。マグネシウムガードリングのみ、亜鉛主接合のみ、および全体の構造の破壊電 圧が測定された。これらについては、ガードリングの破壊電圧は６０ボルト程度 であり、主接合の破壊電圧は４０ボルト程度であり、全体の構造の破壊電圧は４ ０ボルト程度であった。

以上説明した技術は、比較的迅速な拡散によって傾斜接合を形成することを可能 にする。すなわち拡散は数日乃至数週間ではなく分乃至時間のオーダーで完了す ることができる。

イオン注入によると同様のプロセスに費用がかかり、傾斜および急峻な接合は材 料にほとんど無関係である。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）１０国際出願番号 ＰＣＴ／ＧＢ８９１００８５５ ２、発明の名称 了１ｖ−７＞汀フナ１〜′ｙ・イオーｋ“力１ミＬ名称ブリティッシュ・テレコ ミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー 代表者ビスコ−、エフ・ジエイ 国籍イギリス国 ４、代理人 １９９０年２月、ψ日 ６、添付書類の目録 請求の範囲 １、半導体基体と、ｎ型光吸収層と、ｎ型増倍層と、この増倍層上に形成され増 倍層との間に急峻なｐｎ接合を形成するｐ型領域と、このｐ型領域を囲む傾斜ｐ 型ガードリングとを具備しているアバランシェフォトダイオードにおいて、ガー ドリングはマグネシウムをドープ不純物として含み、金属・有機蒸気マグネシウ ム拡散源からの拡散によって形成されることを特徴とするアバランシェフォトダ イオード。

２、増倍層はＩｌｌ　−Ｖ族半導体で構成され、マグネシウムドープガードリン グはビス（シクロペンタジェニル）マグネシウムと、水素と、Ｖ族の前駆物質を 含む蒸気の存在下で装置の層を加熱することによって形成される請求項１記載の アバランシェフォトダイオード。

載のアバランシェフォトダイオード。

４、　１）型領域はガードリングの形成に続いて亜鉛の拡散によって形成される 請求項１乃至３のいずれか１項記載のアバランシェフォトダイオード。

５、光吸収層と増倍層とを金属・有機気相エピタキシャルによって成長させ、 それに続いてガス状金属・有機化合物からのドープ不純物の拡散によってそれに 構造を形成するアバランシェフォトダイオードの製造方法。

６、マグネシウムドープガードリング構造がビス（シクロペンタジェニル）マグ ネシウム蒸気を開放された流れの反応装置中のＭＯＶＰＥ成長層上に流すことに よって定められる請求項５記載の製造方法。

８、ｎ型光吸収層と、ｎ型増倍層と、この増倍層上に形成され増倍層との間に急 峻なｐｎ接合を形成するｐ型頭域と、このｐ型頭域を囲むｐ型ガードリングとを 具備しているアバランシェフォトダイオード構造において、ガードリング構造を 定めるためにマスクされたアバランシェフォトダイオード構造上にビス（シクロ ペンタジェニル）マグネシウム蒸気を流すことによって形成される請求項７記載 の製造方法。

９、増倍層はＩＩＩ　−Ｖ族半導体で構成され、ビス（シクロペンタジェニル） マグネシウム蒸気が水素およびＶ族の前駆物質の存在においてマスクされたフォ トダイオード構造上に流され、アバランシェフォトダイオード構造が同時に加熱 さ形成された装置。

国際調査報告 １ｍ＠＋ｍｌ＃Ｍｌ。ａｍ、、ａｈ、ｂ。ＰＣＴ／ＧＥ　８９１０ＯＥ１５５国 際調査報告 ＧＢ　８９００８５５ ＳＡ　３０３６９

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．半導体基体と、ｎ型光吸収層と、ｎ型増倍層と、この増倍層上に形成され増 倍層との間に急峻なｐｎ接合を形成するｐ型領域と、このｐ型領域を囲む傾斜ｐ 型ガードリングとを具備しているアバランシェフォトダイオードにおいて、ガー ドリングはマグネシウムをドープ不純物として含み、金属・有機蒸気マグネシウ ム拡散源からの拡散によって形成されることを特徴とするアバランシェフォトダ イオード。
2. ２．増倍層はＩＩＩ−Ｖ族半導体で構成され、マグネシウムドープガードリング はビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムと、水素と、Ｖ族の前駆物質を含 む蒸気の存在下で装置の層を加熱することによって形成される請求項１記載のア バランシェフォトダイオード。
3. ３．増倍層は燐化インジュウムである請求項１または２記載のアバランシェフォ トダイオード。
4. ４．ｐ型領域はガードリングの形成に続いて亜鉛の拡散によって形成される請求 項１乃至３のいずれか１項記載のアバランシェフォトダイオード。
5. ５．光吸収層と増倍層とを金属・有機気相エピタキシャルによって成長させ、 それに続いてガス状金属・有機化合物からのドープ不純物の拡散によってそれに 構造を形成するアバランシェフォトダイオードの製造方法。
6. ６．マグネシウムドープガードリング構造がビス（シクロペンタジエニル）マグ ネシウム蒸気を開放された流れの反応装置中のＭＯＶＰＥ成長層上に流すことに よって定められる請求項５記載の製造方法。
7. ７．蒸気金属・有機マグネシウム源からの拡散によってマグネシウムのガードリ ングを形成する方法。
8. ８．ｎ型光吸収層と、ｎ型増倍層と、この増倍層上に形成され増倍層との間に急 峻なｐｎ接合を形成するｐ型領域と、このｐ型領域を囲むｐ型ガードリングとを 具備しているアバランシェフォトダイオード構造において、ガードリング構造を 定めるためにマスクされたアバランシェフォトダイオード構造上にビス（シクロ ペンタジエニル）マグネシウム蒸気を流すことによって形成される請求項７記載 の製造方法。
9. ９．増倍層はＩＩＩ−Ｖ族半導体で構成され、ビス（シクロペンタジエニル）マ グネシウム蒸気が水素およびＶ族前駆物質の存在においてマスクされたフォトダ イオード構造上に流され、アバランシェフォトダイオード構造が同時に加熱され る請求項８記載の製造方法。
10. １０．実質上添付図面を参照にして説明された方法。
11. １１．請求項５乃至１０のいずれか１項記載の方法によって形成された装置。
12. １２．実質上添付図面第１図を参照にして説明されたアバランシェフォトダイオ ード。